數(shù)據(jù)通信基礎

第 3章 數(shù)據(jù)通信基礎 3.1 基本概念 3.2 數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸 3.3 傳輸模式 3.4 數(shù)據(jù)調制與編碼技術 3.5 多路復用技術 3.6 數(shù)據(jù)交換技術 3.7 錯誤檢測與糾正技術 2015/8/4 2 3.1 基本概念 1數(shù)據(jù)（ Data） 數(shù)據(jù)是對客觀事物的符號描述，可以有不同的形式，如數(shù)字、文字、圖形、圖像、視頻、聲音等都是數(shù)據(jù)?？梢哉f，凡是能被計算機處理的對象都可以稱為數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)從形式上可以分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)。模擬數(shù)據(jù)是指在某個區(qū)間內連續(xù)取值的數(shù)據(jù)，例如，聲音、溫度和大氣壓強等都是隨時間連續(xù)變化的量。數(shù)字數(shù)據(jù)的取值在其定義區(qū)間是離散的，例如自然數(shù)，英文字母、漢字、電子表顯示的時間等都是離散的數(shù)據(jù)。 2015/8/4 3 2信息（ Information） 信息通常意義上被認為是有一定含義的、經(jīng)過加工處理的、有價值的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過處理仍然是數(shù)據(jù)，只有經(jīng)過解釋后才有意義，才成為信息。 3信號（ Signal） 信號是指通信中承載信息的電、磁編碼，它是隨時間變化的電壓、電流或電磁場。相應于數(shù)據(jù)的分類，信號也可以分為模擬信號和數(shù)字信號。模擬信號是隨時間連續(xù)變化的信號；數(shù)字信號是指離散變化的信號。 4信道（ Channel） 信道是信息從發(fā)送端到接收端所經(jīng)過的傳輸介質。按通信的信號形式可將信道分為數(shù)字信道和模擬信道；按傳輸介質的類型分類可將信道分為有線信道和無線信道。 2015/8/4 4 3.2 數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸 3.2.1 并行傳輸 3.2.2 串行傳輸 2015/8/4 5 0 1 0 1 0 1 1 0 3.2.1 并行傳輸 在并行傳輸中，在兩個通信設備之間傳輸數(shù)據(jù)時有 n條通信信道，因此一次可發(fā)送一個由 n個比特組成的位組。顯然，這種傳輸方式的速度很快，但使用的線路較多，成本較高，因此一般只用于近距離的通信。 發(fā) 送 方 接 收 方 并行傳輸 2015/8/4 6 3.2.2 串行傳輸 在串行傳輸中，兩個通信設備之間只有一條通信信道，比特是一個一個依次發(fā)送的，因此，串行傳輸?shù)乃俣戎皇遣⑿袀鬏數(shù)?1/n，但成本較低，只有并行傳輸?shù)?1/n。 發(fā) 送 方 接 收 方 0 1 0 1 0 1 1 0 串行傳輸 在一個設備內部的傳輸通常是并行的，而兩個設備之間的通信又是串行的，因此，在發(fā)送端和線路之間以及接收端和線路之間的接口處，都需要有轉換器（前者為并 /串轉換，后者是串 /并轉換）。 發(fā)送并行數(shù)據(jù)只有一種方法，而串行傳輸有異步傳輸和同步傳輸兩種方法。 2015/8/4 7 3.2.2 串行傳輸 3.2.2.1 異步傳輸 3.2.2.2 同步傳輸 2015/8/4 8 3.2.2.1 異步傳輸 在異步傳輸模式中，信號的時序并不重要，但要求信息必須以一種約定的模式來被接收和解釋，只有遵照約定的模式，接收設備才能正確地獲取信息。 異步傳輸以字符為單位，其數(shù)據(jù)格式如圖 3-1所示。每個字符都要附加 1位起始位和 1位、 1.5位或 2位停止位，以標記字符的開始和結束。此外，要附加 1位奇偶校驗位，一個字符占用 5-8位，具體位數(shù)與字符集有關。 傳號 1 0 0 0 0 0 1 0 傳號 起始位 字符碼 校驗位 停止位 2015/8/4 9 3.2.2.2 同步傳輸 在同步傳輸中，比特流被組裝成更長的“幀”或數(shù)據(jù)塊，一個數(shù)據(jù)塊包含有許多個字符，傳輸時以數(shù)據(jù)塊為單位，每個數(shù)據(jù)塊的頭部或尾部用特殊字符或比特序列作為開始和結束的標記。由于同步的標記方式不同，所以有兩種不同的同步傳輸方式，即面向字符的同步傳輸和面向比特的同步傳輸。 1面向字符的同步傳輸 在面向字符的同步傳輸中，每個數(shù)據(jù)塊的頭部用一個或多個同步字符 SYN來標記數(shù)據(jù)塊的開始，用 ETX標記數(shù)據(jù)塊的結束。 IBM公司的 BISYNC就是一個典型的實例。 2015/8/4 10 2面向比特的同步傳輸 面向比特的同步傳輸是把數(shù)據(jù)塊作為比特流而不是作為字符流來處理。在面向比特的同步傳輸中，由于數(shù)據(jù)塊中可以有任意的比特模式，因此規(guī)定幀頭和幀尾都使用位模式“ 01111110”作為定界標志，同時為了避免在數(shù)據(jù)塊中也出現(xiàn)這種模式，發(fā)送方在所發(fā)送的數(shù)據(jù)中每當出現(xiàn) 5個連續(xù)的 1之后就插入一個附加的 0。當接收方檢測到 5個連續(xù)的 1的序列時，就檢查后續(xù)的一位數(shù)據(jù)，若該比特是 0，接收方就刪除掉這個附加的 0，否則就表示數(shù)據(jù)的開始或結束。這種就是位填充技術。 2015/8/4 11 3.3 傳輸模式 3.3.1 單工模式 3.3.2 半雙工模式 3.3.3 全雙工模式 2015/8/4 12 3.3.1 單工模式 在單工模式（ simplex mode）下，通信是單方向的，如同看電視一樣，電視臺只管播放，用戶則只能收看。鍵盤和傳統(tǒng)的顯示器分別用來輸入和輸出，都是典型的單工通信設備。 發(fā)送 接收 單向通道 2015/8/4 13 3.3.2 半雙工模式 在半雙工模式（ half-duplex mode）下，每臺設備均能發(fā)送和接收，但不能同時進行。半雙工如同兩人相向過獨木橋，當一人從一邊過橋時，另一人必須在另一邊等待。對講機就是半雙工系統(tǒng)的典型設備。 發(fā)送 接收 接收 發(fā)送 雙向通道 2015/8/4 14 3.3.3 全雙工模式 在全雙工模式（ full-duplex mode）下，雙方主機都能同時發(fā)送和接收。全雙工就像雙車道的公路，允許車輛在兩個方面同時行進。常見的全雙工例子是電話網(wǎng)絡，通話的雙方都能同時說和聽。一條傳輸通路用于發(fā)送，另一條用于接收。 發(fā)送 接收 接收 發(fā)送 雙向通道 2015/8/4 15 3.4 數(shù)據(jù)調制與編碼技術 3.4.1 數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼 3.4.2 模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼 3.4.3 數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號調制 3.4.4 模擬數(shù)據(jù)的模擬信號調制 2015/8/4 16 3.4.1 數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼 3.4.1.1 單極性編碼 3.4.1.2 極化編碼 3.4.1.3 雙極性編碼 2015/8/4 17 3.4.1.1 單極性編碼 單極性編碼的名稱就是指它的電壓只有一極，即只使用一個電壓值。通常將高電壓表示二進制 1，而零電壓或線路空閑表示二進制 0，如圖 3-6中的粗實線所示。 0 1 0 0 1 1 1 0 1 振幅 時間 單極性編碼存在致命的缺點，那就是直流分量和同步問題。 2015/8/4 18 3.4.1.2 極化編碼 在極化編碼方案中，采用兩個電壓值，即一個正電壓和一個負電壓。通過使用兩個電壓，在大多數(shù)極化編碼技術中線路上的平均電壓值下降了，從而減輕了單極性編碼中的直流分量問題。在曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼中，每比特均含有正電壓和負電壓，從而徹底解決了直流分量和同步問題。 2015/8/4 19 1非歸零編碼 （ 1）非歸零電壓編碼（ NRZ-L） 在 NRZ-L編碼方案中，信號的電壓由它所代表的比特位決定。如一個正電壓值代表比特 1，而一個負電壓值則代表比特 0，從而信號的電壓就依賴于它所代表的比特，如圖 3-7所示。 （ 2）非歸零反相編碼（ NRZ-I） 在 NRZ-I編碼方案中，信號電壓的一次反轉代表比特 1，也就是說從正電壓到負電壓的一次跳躍或者負電壓到正電壓的一次跳躍代表比特 1，比特 0由沒有電壓變化的信號代表，如圖 3-7所示。 振幅 0 1 0 0 1 1 1 0 1 非歸零電平編碼 時間 振幅 非歸零反相編碼 時間 2015/8/4 20 2歸零編碼 在歸零編碼方案中，規(guī)定在每個比特的中段，信號都將歸零，即比特 1由正電壓到零的跳變代表，而比特 0則由負電壓到零的跳變代表，如圖 3-8所示。 振幅 0 1 0 0 1 1 1 0 1 時間 歸零編碼的主要缺陷在于每比特位都需要兩次信號變化，從而增加了占用的帶寬。但是相對于前面介紹的幾種編碼方式而言，它是最有效的。 2015/8/4 21 3雙相位編碼 目前對同步問題最好的解決方案就是雙相位編碼，在當今網(wǎng)絡中使用的雙相位編碼有曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼兩種。 （ 1）曼徹斯特編碼（ Manchester Encoding） 曼徹斯特編碼采用一個負電壓到正電壓的跳變表示比特 1；正電壓到負電壓的跳變表示比特 0，每一個比特的中間均有跳變 （ 2）差分曼徹斯特編碼（ Differential Manchester Encoding） 差分曼徹斯特編碼采用每位的起始處有、無跳變表示 0和 1，若有跳變則為 0，若無跳變則為 1，而每位的中間跳變只用作同步時鐘信號。 振幅 0 1 0 0 1 1 1 0 1 曼徹斯特編碼 時間 振幅 差分曼斯特編碼 時間 2015/8/4 22 3.4.1.3 雙極性編碼 在數(shù)據(jù)通信行業(yè)中得到廣泛應用的雙極性編碼方案有信號交替反轉碼（ AMI）、 8零替換編碼（ B8ZS）和高密度雙極性 3零編碼（ HDB3）。 1信號交替反轉碼（ AMI） 在 AMI編碼方案中， 0值電壓代表二進制 0，二進制 1由交替的正負電壓代表，如圖 3-10所示。 振幅 0 1 0 0 1 1 1 0 1 時間 2015/8/4 23 2雙極性 8零替換編碼（ B8ZS） B8ZS與 AMI不同的地方在于數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)了連續(xù) 8個以上的 0比特時的處理方式。當出現(xiàn)連續(xù) 8個 0時， B8ZS根據(jù)前導的比特 1（即在連續(xù) 8個 0之前的 1）的電壓值改變對應比特模式。 如果前導比特 1是正電壓脈沖，則 8個比特 0被編碼成“ 0， 0，0，正，負， 0，負，正”。如果前導 1比特是負電壓脈沖，則 8個 0比特被編碼成“ 0， 0， 0，負，正， 0，正，負”。 2015/8/4 24 3高密度雙極性 3零編碼（ HDB3） 在 HDB3中，當出現(xiàn)連續(xù) 4個 0時，這 4個 0將被含有一個或兩個脈沖的序列代替， HDB3的替換規(guī)則如表 3-1所示。 自上次替換后傳輸比特 1 的數(shù)目 此次出現(xiàn) 4 個零之前，最后一個脈沖的極性 奇數(shù) 偶數(shù) - （負極） 000 - + 00+ + （正極） 000+ - 00 - 振幅 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 D 8 ZS 時間 振幅 H D B 3 時間 2015/8/4 25 3.4.2 模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼 模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼是用數(shù)字信號來表示模擬數(shù)據(jù)。比如將人的聲音用錄音機錄制下來并保存到磁盤上就是將模擬數(shù)據(jù)轉換成數(shù)字信號的過程。 模擬 - 數(shù)字編碼 2015/8/4 26 脈沖編碼調制 PCM（ Pulse Code Modulation）是模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼技術的重要基礎， PCM編碼包括采樣、量化和編碼三個過程，其中采樣就是指每隔相等的時間間隔測量一次信號的振幅，從而將模擬信號轉換為時間離散的樣本序列；量化就是將采樣的結果賦予一個特定范圍內的整數(shù)值的方法；編碼則是用一定位數(shù)的脈沖碼組表示量化后的采樣值。 PCM的采樣原理是：在某時間間隔內，以有效信號的最高頻率的兩倍以上頻率對該信號進行采樣，利用這些采樣樣本就足可恢復原來的模擬信號。例如，帶寬為 4KHz的語音，其采樣頻率為每秒 8K次，即每 125微秒采樣一次就足夠了。如果采用 8位二進制代碼對每個量化值進行編碼，則語音編碼后的數(shù)據(jù)傳輸速率為： 8bit 8000次采樣 /秒 =64000b/s 2015/8/4 27 3.4.3 數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號調制 數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號調制是用模擬信號來代表數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼技術，例如，通過一條公用電話線將數(shù)據(jù)從一臺計算機傳輸?shù)搅硪慌_計算機時，數(shù)據(jù)開始是數(shù)字的，但是由于電話線只能傳輸模擬信號，所以數(shù)據(jù)必須進行轉換。也就是數(shù)據(jù)必須被調制到一個模擬信號上，如圖 3-13所示。 010111011 0 數(shù)字 - 模擬調制 有三種基本的方法可以將數(shù)字數(shù)據(jù)調制為模擬信號。 1幅移鍵控 在 ASK中，通過改變同一個頻率載波信號的振幅值來表示二進制的“ 0”或“ 1”，而振幅改變的同時頻率和相位保持不變。有時也用振幅的存在與否表示這兩個二進制值。 2015/8/4 28 2頻移鍵控 在 FSK中，通過改變載波信號的頻率來表示二進制 0或 1，而最大振幅與相位保持不變。 3相移鍵控 在 PSK中，通過改變載波信號的相位來代表二進制 0或 1，同時最大振幅和頻率保持不變。 0 1 0 0 1 1 1 0 1 二進制信號 幅移鍵控 頻移鍵控 相移鍵控 2015/8/4 29 常用的調制技術采用四個相位，相位偏移值為 /2的倍數(shù)，這種調制技術稱為正交相移鍵控 QPSK（ Quadrature Phase-Shift Keying），這時一個信號單元可代表 2個比特，如圖 3-15所示。 01)472c o s (00)452c o s (10)432c o s (11)42c o s ()(tfAtfAtfAtfAtgQ P S Kcccc2015/8/4 30 標準的 9600 b/s調制解調器使用了 12個相位角度，其中4個相位具有兩種振幅值。這樣合成的結果是 8個相位 8個振幅 =16種，這就是正交幅移健控 QAM。圖 3-16分別顯示了振幅和相位的兩種合法組合，這些圖形稱為星座圖（ Constellation Diagram），其中（ a）圖為 QPSK的星座圖，圖（ b）是采用了 12個不同相位的 QAM即 QAM-16的星座圖。 90 90 180 0 180 0 270 270 圖 3 - 1 6 星 座 圖 2015/8/4 31 比特率和波特率是數(shù)據(jù)通信中常用的兩個術語，比特率是每秒傳輸?shù)谋忍財?shù)；而波特率是用來表示每秒傳輸?shù)男盘枂卧獢?shù)，其中信號單元由一些比特組成。在圖 3-16（ b）中，使用 V=16種不同的振幅和相位的組合，編碼后的信號中每個信號單元包含 n=4比特。因此，對于標準的 9600 b/s調制解調器，它的波特率為 9600/4=2400 Baud，也就是說 2400個信號單元包含了 9600比特。據(jù)此可以推論： （調制率） B=（數(shù)據(jù)率） R/n（信號元素所含比特數(shù)） 或者說： （比特率） R=nB（波特率） =Blog2 V 2015/8/4 32 3.4.4 模擬數(shù)據(jù)的模擬信號調制 模擬數(shù)據(jù)的模擬信號調制是用模擬信號來表示模擬信息的一種技術，無線電波就是模擬數(shù)據(jù)的模擬信號調制通信的典型例子。圖 3-17是模擬數(shù)據(jù)的模擬信號調制的示意圖。 模擬 - 模擬調制 當信號已經(jīng)是模擬形式時，使用調制技術的原因主要有兩個：首先，實現(xiàn)傳輸?shù)挠行钥赡苄枰^高的頻率。例如無線電只能傳輸調制的信號，而不能直接傳輸基帶信號，否則需要有直徑為數(shù)千米的天線。 其次，通過調制就可以使用頻分復用技術，從而可以有效地利用傳輸介質的帶寬。 2015/8/4 33 1幅度調制 幅度調制簡稱調幅，在這種技術中，載波信號的振幅根據(jù)調制信號（需要被調制的信號）振幅的改變而調整，載波信號的頻率與相位保持不變。 調幅信號（被調制后的信號）的帶寬等于調制信號帶寬的兩倍并且以載波頻率為中心。 音頻信號的帶寬通常為 5KHz，因此一個調幅無線電臺至少需要 10KHz的帶寬。 調幅電臺可以采用在 530到 1700KHz之間的任何頻率作為載波信號頻率。但是，每個電臺的載波頻率必須和其它電臺的載波頻率間隔至少 10KHz（一個調幅帶寬）來防止干擾。因此如果有一個電臺使用的載波頻率為 1100KHz，那么下一個電臺的載波頻率就不能低于 1110KHz。 2015/8/4 34 2頻率調制 頻率調制簡稱調頻，在調頻傳輸中，載波信號的頻率隨著調制信號振幅的改變而調整，載波信號的最大振幅和相位都保持不變。 調頻信號的帶寬是調制信號帶寬的 10倍，而且與調幅一樣以載波信號頻率為中心。在立體聲廣播里的音頻信號的帶寬大約是 15KHz，因此每個調頻電臺至少需要 150KHz帶寬。而實際上通常為每個電臺預留了 200KHz的帶寬以便于容納警戒波段。 調頻電臺可以采用 88到 108MHz間的任意頻率作為載波頻率。但為了防止電臺之間波段重疊，每兩個電臺之間必須有至少 200KHz的頻率差。因此對于 88 108MHz的范圍，雖然有 100個可能的調頻波段，但實際只能使用其中的 50個，如果一個調頻電臺的載波頻率為 90MHz，則下一個電臺的載波頻率至少應用 90.2MHz。 2015/8/4 35 3調相 在調相傳輸技術中，載波信號的相位隨調制信號的振幅變化而調整，最大振幅和頻率保持不變。 實際使用時很少采用調相技術，只在某些系統(tǒng)中采用調相來代替調頻技術以使硬件更簡單。 2015/8/4 36 3.5 多路復用技術 3.5.1 頻分多路復用 3.5.2 波分多路復用 3.5.3 時分多路復用 2015/8/4 37 3.5.1 頻分多路復用 1頻分多路復用的原理 頻分多路復用是一種模擬技術，當鏈路帶寬高于要傳輸?shù)亩嗦沸盘柕膸捴蜁r可以使用該復用技術。 頻分多路復用的原理是將整個物理信道的可用帶寬進行分割，然后利用載波調制技術，將每一路原始信號的頻譜進行遷移，使得多路信號在整個物理信道帶寬允許的范圍內，實現(xiàn)頻譜上的不重疊，從而共用一個物理信道，同時為了防止多路信號之間的相互干擾，必須使用隔離頻帶來隔離每個子信道 復用器解復用器信 道 1信 道 2信 道 32015/8/4 38 3.5.2 波分多路復用 波分多路復用實際上是 FDM的一個變種。波分多路復用示意圖如圖 3-19所示，在這種方法中，兩根工作波長不同的光纖連到一個棱柱（或衍射光柵），兩束光通過棱柱或光柵，合成到一根共享的光纖上，傳送到遠方的目的地，在接收端再將它們分解開來并分發(fā)到各自的目的地。 能量 能量 能量 光纖 1 光譜 光纖 2 光譜 共享光纖 光譜 共享光纖 光纖 1 光纖 2 光纖 3 光纖 4 棱柱或衍射光柵 2015/8/4 39 3.5.3 時分多路復用 時分多路復用（ TDM）是一種數(shù)字過程，當傳輸介質的數(shù)據(jù)速率大于多個發(fā)送和接收設備所需要的數(shù)據(jù)速率時就可以采用這種復用技術。在 TDM中，多道傳輸流通過細分鏈路時間和交織過程來使用單條鏈路。如圖 3-20所示是 TDM復用的原理圖，在該圖中，信號 1、 2、 3按時間而不是按頻率分割鏈路，然后按順序占據(jù)鏈路。 復用器123解復用器1231231數(shù) 據(jù) 流2015/8/4 40 時分多路復用有同步時分多路復用（ Synchronization Time-Division Multiplexing， STDM）和異步時分多路復用（ Synchronism Time-Division Multiplexing， ATDM）兩種實現(xiàn)方式。 1同步時分多路復用 同步時分多路復用技術是按照信號的路數(shù)劃分時間片，每一路信號具有相同大小的時間片。時間片輪流分配給每路信號，該路信號在時間片使用完畢以后要停止通信，并把物理信道讓給下一路信號使用。當其他各路信號把分配到的時間片都使用完以后，該路信號再次取得時間片進行數(shù)據(jù)傳輸。 2015/8/4 41 2異步時分多路復用 為了提高設備的利用效率，可以設想使有大量數(shù)據(jù)要發(fā)送的用戶占有較多的時間片，數(shù)據(jù)量小的用戶少占用時間片，沒有數(shù)據(jù)的用戶不分配時間片。這時，為了區(qū)分哪一個時間片是哪一個用戶的，就必須在時間片上加上用戶的標識。這樣一個用戶的數(shù)據(jù)并不按照固定的時間間隔發(fā)送，所以稱為“異步”，因此將這種時分多路復用技術稱作異步時分多路復用技術，有時也稱作統(tǒng)計時分多路復用技術（ Statistic Time-Division Multiplexing， STDM）。 2015/8/4 42 時分多路復用的典型實例是北美和日本廣泛使用的 T線路。T線路中的 T1線路由 24路復用的語音信道組成。每個信道按順序在輸出流中插入 8比特，每幀有 24 8=192比特，另外再加上 1比特用于同步，這樣， T1線路數(shù)據(jù)率為 193 8000次/s=1.544Mb/s。從技術上而言，這種格式稱為 DS1（ Digital Signal-1）。 時分多路復用允許 4個 T1流復用到 1個 T2流， 7個 T2流按比特順序合成 1個 T3流， 6個 T3流合成 1個 T4流。要注意的是每次合成都要附加一些額外開銷用于分幀和同步。 T1、 T2、 T3和T4的線路速率及包含的語音信道數(shù)如圖 3-21所示。 業(yè)務名稱 線路名稱 線路速率（ M b / s ） 語音信道數(shù) DS - 1 T1 1. 54 4 24 DS - 2 T2 6. 31 2 96 DS - 3 T3 44. 7 36 672 DS - 4 T4 274 . 176 4032 2015/8/4 43 另外，與 T線路相對應的是在歐洲以及其它國家廣泛使用的 CCITT的 E線路， E線路與 T線路在概念上是相同的，只是線路速率不同， E線路中的 E1線路具有 2.048Mb/s的數(shù)據(jù)率，該線路由 32個信道組成，其中 30個信道用于傳輸信息，2個信道用于傳輸信令。 2015/8/4 44 3.6 數(shù)據(jù)交換技術 3.6.1 電路交換 3.6.2 報文交換 3.6.3 分組交換 2015/8/4 45 3.6.1 電路交換 電路交換也稱為線路交換，是一種直接的交換方式，它為一對需要進行通信的節(jié)點之間提供一條臨時的專用傳輸通道，這條傳輸通道既可以是物理通道也可以是邏輯通道。一旦連接建立，提供給站點的是固定的數(shù)據(jù)率，無論是模擬數(shù)據(jù)還是數(shù)字數(shù)據(jù)，都可以通過這個連接從源傳輸?shù)侥康牡亍ｋ娫捪到y(tǒng)采用的交換技術就是一種典型的電路交換。 電路交換方式的通信過程包括電路建立、數(shù)據(jù)傳送和電路拆除三個過程。 電 話 交 換 機2015/8/4 46 3.6.2 報文交換 報文交換方式的數(shù)據(jù)傳輸單位是報文，報文就是站點一次性要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊，其長度不限且可變。當一個站點要發(fā)送報文時，它將目的地址附加到報文上并發(fā)送給與之相連的交換節(jié)點，每個交換節(jié)點在收到整個報文并檢查無誤后，就暫存這個報文，然后根據(jù)報文中的目的地址信息利用路由信息找出下一個交換節(jié)點的地址，再把整個報文傳送給下一個交換節(jié)點，如此循環(huán)直到轉送到目的節(jié)點，這個過程稱為存儲 -轉發(fā)。 P C交 換 節(jié) 點M 2M 1M 1M 1M 1M 2M 22015/8/4 47 3.6.3 分組交換 分組交換是報文交換的一種改進，也是一種存儲 -轉發(fā)交換方式，它將報文分成若干個分組，在每個分組中，包含有一部分用戶數(shù)據(jù)和一些控制信息。在通過的每個交換節(jié)點，分組被接收并被短暫地存儲后再發(fā)送至下一個交換節(jié)點時，最后傳送到目的地。 每個分組的長度都有一個上限，該上限值由網(wǎng)絡確定，分組可以存儲到內存中，這樣就提高了交換速度，因此它適用于交互式通信，如終端與主機通信。 分組交換是計算機網(wǎng)絡中使用最廣泛的一種交換技術，它只適合于傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)。它包括數(shù)據(jù)報和虛電路兩種方法。 2015/8/4 48 3.6.3 分組交換 3.6.3.1 數(shù)據(jù)報方法 3.6.3.2 虛電路方法 2015/8/4 49 3.6.3.1 數(shù)據(jù)報方法 在分組交換的數(shù)據(jù)報方法中，每個分組都將獨立于其它的分組進行處理，就像報文交換網(wǎng)絡中每個報文獨立地處理那樣，在這種技術中，分組被稱為數(shù)據(jù)報或數(shù)據(jù)包。圖 3-25說明了數(shù)據(jù)報方法是如何將 4個數(shù)據(jù)報從發(fā)送方 S傳送到目的端 D的。 SD4 3 2 1 12221344213 44313交 換 機 或 路 由 器2015/8/4 50 3.6.3.2 虛電路方法 在虛電路方法中，在發(fā)送任何分組之前，需要建立一條邏輯連接，這條邏輯連接我們稱之為虛電路 。 圖 3-26顯示了虛電路方法的工作原理，圖中的實線為發(fā)送方 S與接收方 D建立的一條虛電路，而虛線則表示物理連接，從圖中可以看出 S發(fā)送的四個分組沿著同一條虛電路按順序到達目的地 D。 SD4 3 2 124314 3 2 1 4 3 2 1交 換 機2015/8/4 51 虛電路的實現(xiàn)有交換虛電路（ SVC, Switched Virtual Circuit）和永久虛電路（ PVC， Permanent Virtual Circuit）兩種形式。 1交換虛電路 在交換虛電路 SVC這種方法中，每條虛電路在需要通信的時候被創(chuàng)建，而且僅僅在這次通信交換過程中存在。 2永久虛電路 永久虛電路 PVC類似于租用線路，在這種方法中，兩個用戶之間存在一條專門的虛電路。這條虛電路是專門提供給特定用戶的，沒有其它人可以使用，同時，由于這條虛電路總是建立好的，因此它不需要建立連接和終止連接兩個過程。 2015/8/4 52 3.7 錯誤檢測與糾正技術 3.7.1 錯誤類型 3.7.2 錯誤檢測 3.7.3 錯誤糾正 2015/8/4 53 3.7.1 錯誤類型 1單比特錯誤 單比特錯誤是指在給定數(shù)據(jù)單元（比如一個字節(jié)，一個字符或者數(shù)據(jù)包）中只有一個比特被從“ 0”變?yōu)椤?1”或者從“ 1”變?yōu)椤?0”。 2多比特錯誤 多比特錯誤是指數(shù)據(jù)單元中有兩個或兩個以上不連續(xù)的比特從“ 0”變?yōu)椤?1”或者從“ 1”變?yōu)椤?0”。 3突發(fā)錯誤 突發(fā)錯誤是指數(shù)據(jù)單元中有兩個或兩個以上連續(xù)的比特從“ 0”變?yōu)椤?1”或者從“ 1”變?yōu)椤?0”。 2015/8/4 54 3.7.2 錯誤檢測 3.7.2.1 奇偶校驗 3.7.2.2 縱向冗余校驗 3.7.2.3 循環(huán)冗余校驗 3.7.2.4 校驗和 2015/8/4 55 3.7.2.1 奇偶校驗 奇偶校驗又稱作垂直冗余校驗（ Vertical Redundancy Check ， VRC），它是一種最常用，最簡單，費用也最低的錯誤校驗方法，。奇偶校驗可分為奇校驗和偶校驗兩種形式。 在奇校驗中，在每個數(shù)據(jù)單元中都附加一位校驗位，使得在每個數(shù)據(jù)單元（包括校驗位）中的“ 1”的個數(shù)為奇數(shù)。 在偶校驗中，在每個數(shù)據(jù)單元中都附加一位校驗位，使得在每個數(shù)據(jù)單元（包括校驗位）中的“ 1”的個數(shù)為偶數(shù)。 發(fā)送方和接收方必須采用同一種校驗方式。 奇偶校驗可以檢測出所有單比特錯誤，也可以檢測出發(fā)生錯誤的比特數(shù)是奇數(shù)的多比特錯誤和突發(fā)錯誤。 2015/8/4 56 3.7.2.2 縱向冗余校驗 縱向冗余校驗（ LRC）是在兩個維上的奇偶校驗，是奇偶校驗的一種改進方法。圖 3-28說明了縱向冗余校驗的工作原理。 整 個 數(shù) 據(jù) 塊 的 傳 輸 方 向 L R C E r r o r C h e c k 低位 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 b i t 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 b i t 2 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 b i t 3 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 b i t 4 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 b i t 5 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 b i t 6 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 b i t 7 每個字符的傳輸方向1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 偶 校 驗 高位 L R C 碼 E r r o r 空格 C h e c k 10 1 1 1 1 1 0 1 10 0 01 01 01 1 10 0 10 01 1 10 0 10 01 10 1 1 1 1 01 1 10 0 10 10 10 0 00 0 1 10 0 00 1 1 1 1 10 10 00 01 10 01 01 01 10 00 1 1 1 1 10 10 1 1 2015/8/4 57 3.7.2.3 循環(huán)冗余校驗 循環(huán)冗余校驗又稱多項式編碼，是最有效的一種冗余校驗技術。比如幀“ 1010111011”可表示成 M(x)=x9+x7+ x5+x4+x3+x+1，用循環(huán)冗余校驗傳輸此幀時，發(fā)送方和接收方必須事先商定一個生成多項式 G(x)，要求 G(x)比 M(x)短，且最高位和最低位的系數(shù)必須是 1。假定 G(x)=x4+x+1，表示成二進制為 10011；由于 G(x)的最高位是 x4，于是在幀M(x)的末尾附加 4個“ 0”構成 M（ x），即 10101110110000，然后 M（ x）用模 2除法（加法不進位，減法不借位）除以G(x)，如圖 3-30所示，除法產(chǎn)生的余數(shù) 0010（余數(shù)的位數(shù)應與 G(x)的最高冪次相同，故前面的 0不能省略）便為循環(huán)冗余碼，簡稱 CRC碼。 2015/8/4 58 在發(fā)送方，用 CRC碼替換掉 M (x)末尾的 4個“ 0”，形成多項式 T(x)，即 10101110110010，然后將 T(x)傳送出去。當接收方收到幀 T(x)后，將用 G(x)去除它，如果能被 G(x)除盡，則認為數(shù)據(jù)是正確的而接受，否則拒絕接受該數(shù)據(jù)。 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 余數(shù) 2015/8/4 59 3.7.2.4 校驗和 在校驗和方法中，發(fā)送方將數(shù)據(jù)發(fā)送出去之前，需要完成以下工作： （ 1）將數(shù)據(jù)單元平分成 k段，每段 n（通常為 16）比特。 （ 2）將分段 1和分段 2相加。（其運算規(guī)則是： 0+0=0; 1+0=1; 0+1=1; 1+1=0且向前進一位，如果最左一列有進位，則進位加在結果的最低位上） （ 3）將分段 3與步聚（ 2）中的計算結果相加。 （ 4）重復上述過程直到分段 k被加到上一步的計算結果為止。 （ 5）對最后的計算結果取反得到校驗和。 將校驗和附加在原始數(shù)據(jù)單元的末尾并將此擴展后的數(shù)據(jù)單元傳送出去。 2015/8/4 60 當接收方收到數(shù)據(jù)后，同樣將數(shù)據(jù)單元（包括 n比特的校驗和）細分成 k+1（因為有一段是校驗和）段，每段 n比特，然后將這 k+1段進行累加，如果累加的結果為全 1，則表示數(shù)據(jù)是完整的，否則拒絕接收此數(shù)據(jù)。 1 0 1 0 0 1 0 1 & 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 & 1 該 1 是最左列 進位產(chǎn)生的 0 1 1 0 1 0 0 1 其校驗和為 1 001 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 & 1 0 0 1 0 1 1 0 校驗和 1 1 1 1 1 1 1 0 & 1 最左列的進位 1 1 1 1 1 1 1 1 2015/8/4 61 3.7.3 錯誤糾正 3.7.3.1 錯誤糾正方式 3.7.3.2 海明碼糾錯法 2015/8/4 62 3.7.3.1 錯誤糾正方式 1自動重發(fā)請求 自動重發(fā)請求又稱檢錯重發(fā)請求，是一種出錯后重發(fā)的常用糾錯法。采用這種方式時，發(fā)送端發(fā)送出能夠檢測出錯誤的數(shù)據(jù)編碼，接收端收到后經(jīng)檢測如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中有錯誤，則通過反向信道把這一判斷結果反饋給發(fā)送端。然后，發(fā)送端把所保存的數(shù)據(jù)副本重新發(fā)送一次，直到接收端確認為止。采用這種方法需要具備雙向通道，一般在計算機數(shù)據(jù)通信中應用。 2015/8/4 63 2前向糾錯 前向糾錯又稱為正向糾錯，在這種糾錯法中，發(fā)送端發(fā)送能使接收端糾正錯誤的冗余位，一種經(jīng)典的正向糾錯法是海明碼糾錯法，海明碼是一種能檢測并糾正每個數(shù)據(jù)塊中單比特錯誤的位模式，是貝爾實驗室的科學家 RWHamming發(fā)明的。 因為糾正錯誤比檢測錯誤要復雜得多，而且需要更多的冗余位，糾正多比特錯誤和突發(fā)錯誤所需的冗余位位數(shù)非常大，而且在大多數(shù)情況下糾正錯誤是十分低效的。因此大多數(shù)錯誤糾正技術都局限于一個，兩個或者三個比特的錯誤并只應用于沒有反向信道發(fā)送 ACK或 NAK信號的場合（如單工傳輸）或用于線路傳播時間很長的場合（如衛(wèi)星傳輸）。 2015/8/4 64 3混合糾錯檢錯 混合糾錯檢錯方式是前向糾錯方式和自動重發(fā)請求方式的結合，發(fā)送端發(fā)出的碼組不但要有一定的糾錯能力，對于超出糾錯能力的錯誤要具有檢錯能力。這種方式在實時性和復雜性方面是正向糾錯和自動重發(fā)請求的折衷，因而在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中采用較多。 4反饋校驗方式 反饋校驗方式又稱回程校驗。接收端把收到的數(shù)據(jù)全部由反向信道返回給發(fā)送端，發(fā)送端比較原發(fā)送數(shù)據(jù)與反饋數(shù)據(jù)，從而發(fā)現(xiàn)是否有錯誤，并把認為有錯誤的數(shù)據(jù)重新發(fā)送，直到發(fā)送端沒有發(fā)現(xiàn)錯誤為止。其優(yōu)點是不需要糾錯、檢錯的編譯器，設備簡單。缺點是需要反向信道；實時性差；發(fā)送端需要一定容量的存儲器。反饋校驗方式僅適用于傳輸速率較低、數(shù)據(jù)差錯率較低和控制簡單的系統(tǒng)。 2015/8/4 65 3.7.3.2 海明碼糾錯法 在海明碼